Avtomatizirana linija za sestavljanje baterij: od kod dejansko izvirajo prihranki pri delu

Avtor: Dany Huang, dr.

Generalni direktor & vodja raziskav in razvoja, TOB New Energy

Povežite se z dr. Huangom na LinkedInu

Povzetek in ključni povzetki

Stroški dela pri sestavljanju baterije niso enakomerno porazdeljeni-osredotočeni so na nekaj ponavljajočih se postaj: zlaganje elektrod, varjenje jezičkov, ohišje in testiranje. Avtomatizacija nadomešča te posebne človeške gibe s servo gnanimi prijemali in vizualno vodenim prenosom, s čimer zmanjša neposredno delo za 60–80 %, hkrati pa poveča izkoristek prvega prehoda, ker se robot ob osmi uri ne utrudi. Povračilo je funkcija proizvodnje na linijo in lokalne stopnje obremenitve dela, ne samo cene stroja.

• A polavtomatska cilindrična linijaobičajno potrebuje 8–12 operaterjev; popolnoma avtomatiziran ekvivalent deluje z 2–3 za isti rezultat.
• Neposredni stroški dela na celico padejo s približno 0,10–0,20 USD na 0,02–0,05 USD pri pilotnih količinah 1–5 milijonov celic na leto.
• Prenos, ki se ujema s časom cikla, ne neobdelana hitrost robota, nastavi linijski izhod-postaja, ki potrebuje 4 s na celico, omeji linijo s 15 celicami/min, ne glede na to, kako hitro se premika robot.
• Donosnost naložbe avtomatizacije preseže 24 mesecev samo nad pragom količine; pod njim ostaja polavtomatska odločitev racionalna kapitalska odločitev.

Linija za sestavljanje cilindričnih celic s šestimi operaterji lahko ob najboljši uri proizvede morda 12–15 celic na minuto. Ob sedmi uri se roke zlagalnika upočasnijo. Premiki pozicioniranja jezička zvara. Testna postaja podpira. Realni pretok se približa 60 % nazivne ploščice, stroški dela na celico pa se z vsako zavrnitvijo povečajo.

Pri avtomatizaciji montaže ne gre za hitrejšo linijo na papirju. Gre za to, da linija vzdržuje svojo hitrost, označeno z imenom, skozi celotno izmeno, z manj rokami v zanki. Prihranki izhajajo iz posebnih, merljivih sprememb: robotsko prijemanje nadomešča človeško namestitev, samodejni prenos nadomešča hojo in čakanje, pregledovanje v liniji pa nadomešča odkrivanje na koncu linije.

Kje se delo skriva v liniji za sestavljanje baterij

Sprehodite se po kateri koli ročni ali polavtomatski montažni liniji in stroški dela se koncentrirajo na istih petih mestih:

• Zlaganje elektrod/nalaganje navitja.Vsaka celica potrebuje elektrode, ločila in jezičke, poravnane na delčke milimetra. Človeški operater vsako komponento namesti ročno, čas namestitve in ponovna poravnava pa porabita 30–40 % celotnega dela pri sestavljanju.
• Pozicioniranje varjenja jezička.Celica mora biti usmerjena tako, da jeziček pristane na mestu zvara. Ročno pozicioniranje je počasno in spremenljivo; neporavnani zvari se pri preskusu pokažejo kot napake v odprtem tokokrogu.
• Ohišje in tesnjenje.Vstavljanje zvitka želeja ali sklada elektrod v pločevinko, varjenje pokrovčka in stiskanje ali tesnjenje zahteva dosledno silo in čistočo, ki ju roke ne morejo zagotoviti v izmeni.
• Polnjenje in ravnanje z elektrolitom.Polnjenje je avtomatizirano tudi v polavtomatskih linijah, vendar je nalaganje in razkladanje polnilne naprave ročno delo.
• Testiranje in sortiranje.Vsako celico je treba ciklično oblikovati, oceniti in vizualno pregledati. Ročno ravnanje med preskusnimi stojali je zahtevno in predstavlja nevarnost kontaminacije.

Vzorec: korake postopka z dodano vrednostjo (varjenje, polnjenje) že poganja stroj, vendardelajte okoli njih-nakladanje, prenašanje, orientacija, razkladanje-je človek. Ta rešitev je cilj avtomatizacije.

Mehansko jedro: prijemala, ki se obnesejo brez poškodb

Razlog, da se je sklop baterij leta upiral avtomatizaciji, je obdelovanec. Zvitek z želejem je mehak, zlahka se deformira in ima prevlečeno površino, ki se lušči, če ga primete napačno. Navit valjasti zvitek je treba dvigniti za jedro ali podpreti po celotni dolžini, nikoli ga stisniti na točki.

Sodobni montažni roboti to rešujejo s končnimi efektorji, specifičnimi za uporabo:

• Servo gnana paralelna prijemala z nadzorom sileoprijemite trde elemente-telesa pločevink, sklope pokrovčkov, vodila jezičkov-s programabilno silo zapiranja, ki nikoli ne preseže meje zmečkanja dela.
• Vakuumska prijemala z mehkimi blazinicamidvignite elektrode in separatorje s površinskim sesanjem, porazdelite obremenitev po prevlečeni površini, tako da aktivni material ne razpade. Materiali blazinic so izbrani tako, da ne oddajajo delcev v čisto okolje.
• Vpenjalne glave za valjaste žele zvitkerazširite znotraj votlega trna in dvignete zvitek, ne da bi se dotaknili zunanjega vetra.
• Vizualno vodena izbira in namestitevlocira vsak del pred prijemom in tolerira razpršenost položaja, ki jo neizogibno povzročijo tekoči trak in gorvodne postaje.

Inženirska poanta je, da je robot tako dober, kot sta dober njegov končni efektor in vizija. Avtomatizirana linija, zgrajena z generičnimi prijemali, bo poškodovala celice in delovala s kratkim časom delovanja. Zasnova linije se začne s fiziko ravnanja z deli, ne z modelom robota.

Samodejni tok: druga polovica enačbe

Robotski prijem odstrani roke s posameznih postaj. Samodejni prenos odpravlja delo med postajami-in tam večina "avtomatiziranih" linij tiho odpove.

Sistem prenosa mora bitiujemanje časa cikla. Če postaja za zlaganje potrebuje 8 s na celico in postaja za varjenje jezičkov 5 s, linija teče z največ 7,5 celic/min, razen če medpomnilniki absorbirajo razliko. Prevladujejo tri prenosne arhitekture:

Za cilindrično pilotno linijo je gibljivi indekser delovni konj: celice se premikajo po fiksnem koraku, vsaka postaja izvede eno operacijo in celotna linija utripa usklajeno. Pri celicah za vrečke prevladujejo neodvisne palete, ker koraki postopka-zlaganje, varjenje jezičkov, tesnjenje, razplinjevanje-potekajo zelo različno dolgo in jih je treba ločiti.

Medpomnjenje je detajl, ki ločuje teoretično črto od tekoče. Majhen medpomnilnik med hitro in počasno postajo absorbira naravne spremembe v času cikla in preprečuje, da bi se linija ustavila, ko katera koli posamezna postaja kolca. Linije brez odbojnikov se ustavijo pri prvi manjši napaki; črte z odbojniki vozijo skozi njih.

A proti B: polavtomatsko proti popolnoma avtomatskemu sestavljanju

Iskrena primerjava ni stroj proti stroju. Gre za dva operativna modela.

Polavtomatski model.Posamezni stroji-navijalka, varilka jezičkov, stiskalnica-vsakega upravlja namenski delavec, celice pa se prenašajo med postajami ročno ali na preprostih tekočih trakovih. Stroški kapitala so nizki. Izhod se linearno meri glede na število zaposlenih. Kakovost je odvisna od doslednosti operaterja. Prehod med formati je hiter, saj se ljudje takoj prilagodijo.

Popolnoma avtomatski model.Ena integrirana linija z robotskim rokovanjem, samodejnim prenosom in vgrajenim pregledom med vsakim korakom procesa. Stroški kapitala so visoki-običajno 3–6× polavtomatski ekvivalent. Izhod je določen z uravnoteženim časom cikla linije, ne s številom zaposlenih. Kakovost je dosledna, ker vsaka celica sledi isti mehanski poti. Preklop zahteva spremembe receptov in vpenjal, ki jih upravlja programska oprema.

Vrzel v donosu je pomembnejša od vrzeli v delovni sili. 5-odstotno izboljšanje izkoristka na liniji, ki proizvede 2 milijona celic na leto, pomeni 100.000 manj zavrženj-, kar je več vredno materiala in stroškov predelave kot celotna plačilna lista operaterja, ki jo zamenja.

Model donosnosti naložbe: stroški dela na celico in prelomni obseg

Meritev odločitve je preprosta: stroški dela na celico=(operaterji × naložen letni strošek dela) ÷ letne proizvedene celice.

Obremenjeni stroški dela-plače plus ugodnosti, dodatki za izmene in usposabljanje-se zelo razlikujejo po regijah, od približno 15.000 USD/leto v delih jugovzhodne Azije do 60 USD000+/leto v Zahodni Evropi in Severni Ameriki. To širjenje popolnoma spremeni odgovor avtomatizacije.

Delujoč model, 2 milijona celic na leto:

• Polsamodejno: 10 operaterjev × 40 USD,000=400.000 USD/leto → 0,20 USD na celico.
• Popolnoma samodejno: 3 operaterji × 40 USD,000=120.000 USD/leto → 0,06 USD na celico.
• Letni prihranek dela: 280.000 USD.
• Glede na postavko v vrednosti 1,2 milijona USD se povrne samo delo ≈ 4,3 leta-pred prihranki donosa in odpadkov.

Dodajte izboljšanje donosa (recimo 4 % od 2 milijonov celic=80.000 celic, shranjenih po 2,50 USD stroškov materiala za vsako=200.000 USD/leto) in vračilo se zmanjša na približno 2,5 leti. Zato so modeli donosnosti naložbe, ki štejejo samo delo, sistematično pesimistični, modeli, ki štejejo samo kapitalske stroške, pa so napačni v drugo smer.

Referenčna tabela prelomnosti (leta vračila, popolnoma samodejna linija v primerjavi s polavtomatsko osnovno linijo)

Tabela predvideva srednje stroške linije, prihranek treh operaterjev in realno izboljšanje donosa. Pri 500.000 celicah na leto s poceni delovno silo se popolna avtomatizacija ne izplača-priporočilo poštenega inženirja je polavtomatska linija. Pri 2 milijonih celic na leto z zahodnimi stopnjami dela je popolnoma samodejna linija cenovno ugodnejša odločitev, tudi če ne upoštevamo učinka donosa.

Cilindrična proti vrečki: profili avtomatizacije se razlikujejo

Dva prevladujoča formata se ne avtomatizirata na enak način.

Cilindrične celiceso lažji problem avtomatizacije. Pločevinka daje togo, oprijemljivo telo na vsakem koraku. Navijanje proizvede valjast valj, ki ga lahko vpenjalna glava nedvoumno dvigne. Postaje-navijanje, varjenje jezičkov, vstavljanje pločevink, varjenje kapic, stiskanje-so diskretne in jih je mogoče indeksirati. Zato so bile prve popolnoma avtomatizirane montažne linije v industriji cilindrične. Apopolnoma avtomatizirana cilindrična baterijska pilotna montažna linijaz robotsko obdelavo celic in vgrajenim testiranjem indeksira celice skozi vsako postajo s fiksnim korakom, togost formata pa ohranja nizke stopnje napak pri rokovanju.

Celice za vrečkeso težje. Sklad elektrod je prilagodljiv, folija vrečke je občutljiva, postopek pa vključuje korake-odplinjevanja, ponovnega tesnjenja, oblikovanja jezičkov-, ki delujejo na mehkem, dimenzijsko nestabilnem delu. Avtomatizacija sestavljanja vrečk temelji na neodvisnih paletah, ki prenesejo vsako celico skozi linijo brez ponovnega prijemanja, in na nežnih vakuumskih končnih efektorjih za sklad. Inženiring je zahtevnejši in stroški linije so višji na celico proizvodnje, vendar je tudi delovna intenzivnost ročnega sestavljanja vrečke višja, kar uravnoteži enačbo.

Skupno načelo v obeh formatih: vsakič, ko se človeška roka dotakne celice, je ta dotik strošek časa namestitve, tveganje kontaminacije in priložnost za okvaro. Vsak dotik, ki ga odstranita prijemalo in transporter, se odstrani vse tri naenkrat.

Česa avtomatizacija ne popravi

Avtomatizacija ni nadomestilo za zmogljivost procesa. Linija, ki napaja robota s slabo navitimi zvitki, neporavnanimi jezički ali nestabilnim polnjenjem z elektrolitom, bo preprosto proizvajala avtomatizirane zavrnitve hitreje kot ročna linija proizvaja ročne. Predhodni procesi-kakovost navijanja, pozicioniranje zavihkov, natančnost polnjenja-morajo že biti pod nadzorom, da se bo naložba v avtomatizacijo izplačala.

Avtomatizacija tudi ne pomeni brez nadzora. Popolnoma avtomatska linija še vedno potrebuje operaterje za dopolnjevanje materiala, spremljanje procesa in odpravljanje napak. Realno število zaposlenih je 2–3 na izmeno, ne nič. Čas delovanja, ne število zaposlenih, je metrika, ki poganja rezultate: linija, ki teče 85 % časa s tremi operaterji, prekaša linijo, ki teče 60 % časa brez nikogar.

Tudi nabor vzdrževalnih veščin se spremeni. Ročna linija potrebuje monterje. Avtomatizirana linija potrebuje avtomatizacijske tehnike, ki razumejo servomotorje, vizualne sisteme in logiko PLC. Ta sprememba spretnosti je dejanski strošek, ki sodi v model in se običajno izravna z zmanjšanim številom operaterjev.

Pogosta vprašanja: Ekonomika avtomatiziranega sestavljanja baterij

Koliko operaterjev potrebuje popolnoma avtomatska linija za sestavljanje baterij?
Dva do tri na izmeno, v primerjavi z 8–12 za primerljivo polavtomatsko linijo. Preostalo osebje skrbi za dopolnjevanje materiala, spremljanje procesov in odpravljanje napak-avtomatizacija ne pomeni ničelnega števila zaposlenih.

Kakšna je realna vračilna doba za avtomatizirano tekočo linijo?
Pri 2 milijonih celic na leto s srednjimi stroški dela, približno 2,5–3 leta, pri čemer se upoštevajo prihranki dela in izboljšanje donosa. Pod 500.000 celicami na leto je polavtomatsko sestavljanje običajno cenejša odločitev.

Kaj je najtežje avtomatizirati pri sestavljanju baterije?
Ravnanje s skladom elektrod ali zvitkom želeja brez poškodb. Mehkih, prevlečenih delov ni mogoče prijeti kot kovinskih delov, zato konstrukcija končnega efektorja-jedrne vpenjalne glave za cilindrične zvitke, vakuumske blazinice za nize elektrod-določajo zanesljivost linije.

Ali avtomatizacija izboljša kakovost ali samo zmanjša delo?
Oba. Robotska namestitev je ponovljiva na delčke milimetra v celotni izmeni, medtem ko se ročna namestitev spreminja z utrujenostjo operaterja. Običajni izkoristek pri prvem prehodu se giblje od visokih 80-ih do sredine 90-ih pri polavtomatskem načinu do 96–99 % pri kontrolirani avtomatski liniji.

Ste pripravljeni modelirati svojo linijo?
Odločitev o stroških dela je aritmetična; odločitev o donosu je inženirska. TOB New Energy, kot proizvajalec na ključ z neposrednim virom, dobavlja popolnoma avtomatizirane valjaste in vrečaste montažne linije za celice, zasnovane glede na vaš format celice, čas cikla in proračun za napake-ne glede na generični katalog robotov. Pošljite risbo celice, letno količino in vašo lokalno naloženo delovno silo, da prejmete postavitev proge od postaje do postaje, model ROI in ponudbo neposredno v tovarni iz Xiamena.

Tehnična referenca, ki jo je zbrala skupina za procesno inženirstvo TOB New Energy iz montažnih linij v programih cilindričnih in vrečastih celic po vsem svetu. Za donosnost naložbe in razčlenitev postaj se povežite z dr. Danyjem Huangom na LinkedInu ali pošljite svoje proizvodne parametre inženirskemu oddelku Xiamena.